利用熱分析預測IC的瞬態效應并避免過熱

　本文提出了一種預測IC熱性能的方法。這些信息對于汽車及其它高溫環境下使用的PMIC (電源管理IC)尤為有用。通過分析熱性能，我們設計了一種數學模型用于仿真芯片內部的瞬態溫度。我們引入了關于熱性能的物理定律，并用于評估IC的發熱模型。基于這些分析，我們提出了一種等效的無源RC網絡，用于仿真IC瞬態熱性能的模型。為了闡述這一分析的應用，我們設計了一個用于LED驅動(MAX16828)的RC網絡。最后總結了這種方法的使用和有效性，并提出了加速構建RC模型的途徑。

　　設計人員通常需要了解IC的熱性能，特別是汽車應用中的PMIC (電源管理IC)。當實際IC工作在高溫環境(例如+125°C)時，是否會觸發熱關斷電路或超出產品的安全工作溫度范圍？如果沒有明確的分析方法，我們就無法確切地回答這一問題。因此，在定義一款新IC時，我們需要一種根據復雜的內部功能預測熱關斷或管芯溫度過高的方法。

　　直流工作模式下，往往能夠利用數據資料提供的參數確定結溫，例如θJA (熱阻)和θJC (結溫熱特性)1。然而，為了預測直流模式以外的結溫峰值達到多高(例如，由PWM信號驅動的功率MOSFET，用于控制LED或開關穩壓器)，需要了解瞬態熱特性數據。盡管該數據非常有用，但通常情況下數據資料并未提供這些數據。您可能還需要了解芯片在給定功率耗散水平下能夠工作多長時間而不發生故障。這個問題也很難回答。

　　本文解決了利用功耗和環境溫度預測芯片結溫的問題，芯片結溫是時間函數。本文首先引入分析方法所依據的物理定律。然后將IC系統定義為一個復雜的分層熱體模型進行討論。進而對熱體模型進行理論分析，并得出瞬態熱性能的表達式。本文根據這些公式提出了一種等效的RC無源網絡，用于表示IC的熱特性。最后，為了證明這一分析方法的有效性和準確性，文章給出了具有PWM調光功能的高電壓線性HB LED (高亮度LED)驅動電路MAX16828的實驗結果。

　　熱力學定律

　　對于任何物體，均可通過以下兩個基本定律得到溫度與時間的關系式。

　　牛頓冷卻定律：

(式1)

　　其中：

TB為物體溫度，TA為環境溫度。kA為比例常數(>0)。
t為時間。

　　根據能量守恒定律：
mcΔT = 能量 = PΔt

(式2)

　　其中：

P為熱源產生或傳遞給熱源的恒定功率。
m為發熱體質量。
c為特定物體的熱容量。

　　結合這兩個定律，我們得到：

(式3)

　　IC的數據資料通常列出了封裝的熱特性數據，例如θJA。我們利用該數據可以分析封裝的穩態熱平衡，從而檢查是否滿足式3：

　　其中：

θBA為熱阻――物體至環境。
TB為封裝內溫度。
TA為外部環境溫度。

　　故： (式6)

　　將芯片定義為一個熱系統

　　清晰地定義系統非常重要，因為熱分析結果依賴于這一定義。從安裝在PCB的芯片橫截面(圖1)，我們可以看到管芯到環境通道至少有三種不同材料：管芯本身、環氧樹脂鑄模和封裝。根據主要熱源的位置不同，熱模型基于兩種熱流動模式之一：從外部熱源至管芯(當外部熱源是主要熱源時)和從管芯至外部環境(當管芯為主要熱源時)。我們就這兩種模式分別進行討論。

　　從外部熱源至芯片的熱流動

　　考慮圖2所示系統，該圖給出了一個均勻物體從電源獲得能量(熱量)并向外部環境釋放能量的示意圖。

　　熱量通過封裝和鑄模復合物到達內部管芯。所以，該系統也模擬了熱源處于封裝外部時芯片的瞬態熱特性。由于管芯具有很多金屬，封裝熱阻通常比管芯本身高得多。因此，管芯溫度隨著封裝溫度的變化而改變，幾乎沒有滯后，使芯片看起來像個整體。我們可以利用式3定義這一整體系統。求解TB，得到：

(式7)

　　其中，k0為積分常數，由初始條件求解得到。一般而言，該式對于熱源處于芯片外部情況下定義芯片的瞬態熱特性非常有用。

　　可以通過一個實例解釋這一模型。確定芯片的瞬態熱特性，其初始溫度為Ti，式7中帶入t = 0，TB = Ti：

　式11和式12在熱源處于封裝外部情況下，對于預測芯片溫度(無論是封裝還是管芯)非常有用。需要耗散大量熱量的大電流MOSFET附近就是一個熱源特例。

圖1. 安裝在PCB上的芯片橫截面，顯示了管芯和環境之間的材料層次。